Když to poprvé uslyšíte, myšlenka, že světlo může mít hmotnost, se může zdát absurdní, ale pokud hmotnost nemá, proč je světlo ovlivňováno gravitací? Jak by se dalo říci, že něco bez hmoty má hybnost? Tyto dvě skutečnosti o světle a „částicích světla“ zvané fotony vás možná přimějí dvakrát si rozmyslet. Je pravda, že fotony nemají setrvačnou hmotnost nebo relativistickou hmotnost, ale příběh má více než jen tuto základní odpověď.
TL; DR (příliš dlouhý; Nečetl)
Fotony nemají žádnou setrvačnou hmotnost a žádnou relativistickou hmotnost. Experimenty ukázaly, že fotony mají hybnost. Speciální teorie relativity vysvětluje tento efekt teoreticky.
Gravitace ovlivňuje fotony podobným způsobem, jakým ovlivňuje hmotu. Newtonova teorie gravitace by to zakazovala, ale experimentální výsledky, které ji potvrzují, dodávají silnou podporu Einsteinově teorii obecné relativity.
Fotony nemají žádnou setrvačnou hmotnost a žádnou relativistickou hmotnost
Setrvačná hmotnost je hmotnost definovaná druhým Newtonovým zákonem:
Podle Einsteinovy teorie speciální relativity získá jakýkoli objekt s klidovou hmotou relativistickou hmotnost jak se zvyšuje v hybnosti, a pokud by něco dosáhlo rychlosti světla, bylo by to nekonečné Hmotnost. Mají tedy fotony nekonečnou hmotnost, protože se pohybují rychlostí světla? Vzhledem k tomu, že nikdy nepřijdou odpočívat, má smysl, že o nich nelze uvažovat, že mají odpočinkovou hmotu. Bez klidové hmoty ji nelze zvětšit jako jiné relativistické masy, a proto je světlo schopné cestovat tak rychle.
To vytváří konzistentní soubor fyzikálních zákonů, které souhlasí s experimenty, takže fotony nemají relativistickou hmotnost a žádnou setrvačnou hmotnost.
Fotony mají hybnost
Rovnicestr = mvdefinuje klasickou hybnost, kdestrje hybnost,mje hmota aprotije rychlost. To vede k předpokladu, že fotony nemohou mít hybnost, protože nemají hmotu. Výsledky, jako jsou slavné experimenty s Comptonovým rozptylem, však ukazují, že mají hybnou sílu, jak se zdá být matoucí. Pokud střílíte fotony na elektron, rozptýlí se z elektronů a ztrácejí energii způsobem, který odpovídá zachování hybnosti. To byl jeden z klíčových důkazů, které vědci použili k urovnání sporu o to, zda se světlo někdy chová jako částice i jako vlna.
Einsteinovo obecné energetické vyjádření nabízí teoretické vysvětlení, proč je to pravda:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2 + m_ {rest} ^ 2c ^ 2
V této rovniciCpředstavuje rychlost světla amzbytek je zbytek hmoty. Fotony však nemají klidovou hmotu. Tím se přepíše rovnice na:
E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2
Nebo jednodušeji:
p = \ frac {E} {c}
To ukazuje, že fotony s vyšší energií mají větší hybnost, jak byste očekávali.
Světlo je ovlivňováno gravitací
Gravitace mění průběh světla stejným způsobem jako běh běžné hmoty. V Newtonově gravitační teorii síla působila pouze na věci se setrvačnou hmotou, ale obecná relativita je jiná. Hmota se zdeformuje časoprostor, což znamená, že věci, které cestují po přímkách, mají v přítomnosti zakřiveného časoprostoru různé cesty. To ovlivňuje hmotu, ale také fotony. Když vědci pozorovali tento efekt, stalo se klíčovým důkazem, že Einsteinova teorie byla správná.
